DE2819841A1

DE2819841A1 - Sauerstoffverbrauchsueberwachungssystem

Info

Publication number: DE2819841A1
Application number: DE19782819841
Authority: DE
Inventors: Dietrich K Prof Gehmlich; Curtis C Prof Johnson; Daniel B Raemer; Dwayne R Prof Westenskow
Original assignee: University of Utah
Current assignee: University of Utah
Priority date: 1978-05-03
Filing date: 1978-05-05
Publication date: 1979-11-15
Also published as: DE2819841C2; US4211239A

Description

A 799

Anmelderin: The University of Utah, Utah VSTA

Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystem

Die Erfindung betrifft ein Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystem, insbesondere zur Messung der Sauerstoffaufnahme von Neugeborenen. Es wird außerdem eine zweckmäßige Ventilanordnung zur Verwendung in einem derartigen Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystem angegeben.

In Situationen, in denen prämature oder termingerecht geborene Kinder, weniger als ein Jahr alt, Beatmungsunterstützung benötigen, treten spezielle Probleme

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auf, die sich von denen in gebräuchlichen Systemen zur Beatmung Erwachsener unterscheiden. Da die Atemvolumenänderungen in neonatalen Systemen wesentlich geringer sind (0,7 bis 2,7 Liter pro Minute), konnten vorbekannte Verfahren, welche nach dem Gewicht steuern, nicht leicht für diesen Zweck angepaßt werden. Außerdem ergeben d.i^ hohe Atemgeschwindigkeit (20 bis 60 pro Minute) unci das geringe Atemzugvoluraen (7 bis 10 ml/kg) der Neugeborenen zusätzliche Probleme für die Konstruktion eines Beatmungssystems für Neugeborrene, welches in der Lage ist, den Sauerstoffverbrauch zu überwachen.

Weitere Beschränkungen ergeben sich für diejenigen Kinder, welche ein Atemnotsyndrom aufweisen RDS (Respiratory Distress Syndrome) insofern, als diese Kinder stets unter dauerndem Überdruck, gewönlich im Bereich von 3 bis 5 mm Hg, in den Atemwegen CPAP (Continuous Positive Airway Pressure) gehalten werden müssen. CPAP ist in solchen Fällen notwendig, um die funktioneile Residualkapazität zu steigern, um die Compliance der Lungen zu verbessern und um Atelektasen zu verhindern. Bei ernsthaftem RDS und RDS mit Pneunomie wird der Neugeborene allgemein unter CPAP und ferner unter unterbrochener Zwangsbeatmung IMV (Inter-

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mittant Mandatory Ventilation) gehalten. Zusätzlich muß ein wirkungsvolles Bea timings sys tem für Neugeborene zur Erfüllung der oben genannten Voraussetzungen einen hohen Strom von mit Sauerstoff angereicherter Luft (5 bis 15 Liter pro Minute) aufweisen, welcher durch den Endotrachialtubus des Kindes geführt wird, so daß dieses stets Frischluft einatmet.

Figur 1 illustriert eine bekannte Beatmungsvorrichtung mit positivem endexpiratorischera Druck, welche in der Lage ist,CPAP und CPAP-IMV-Verfahren durchzuführen, wobei ein hoher Fluß von mit Sauerstoff angereicherter Luft durch eine Beatmungsschleife geführt wird. Dabei ist jedoch keine Vorkehrung getroffen, um die von dem leugeborenen ausgeatmete Luft getrennt wieder aufzufangen, wodurch die Sauerstoffaufnahme wirksam überwacht werden könnte. Vielmehr erfolgen sowohl die Einatmung als auch die Ausatmung durch dieselbe Verbindungsleitung 20, die zum Neugeborenen führt, wodurch das ausgeatmete Luftvolumen in die primäre Strömungsleitung des Sauerstoffkreises von hohem Durchlaß eintritt. Die mögliche Rückführung der ausgeatmeten Luft in die Strömungsleitung ist in solchen Systemen wesentlich, um einen konstanten positiven Druck innerhalb des Belüftungssystems aufrechtzuerhalten. Es ist daher, obwohl ein intermittierender Zusatz von ge-

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ringen Volumina ausgeatmeter Luft zu der kontinuierlichen Strömung mit hohem Durchsatz und hohem Sauerstoffgehalt in der primären Strömungsleitung durchgeführt wird, kein Vergleich des Sauerstoffgehaltes vor und nach der Einatmung angewandt worden.

Zahllose Vorteile können jedoch mit einem solchen Belüftungssystem erreicht werden, welches die Messung des Sauerstoffverbrauchs oder der Sauerstoffaufnahme bei Neugeborenen ermöglicht. So kann beispielsweise die Geschwindigkeit der Metabolisierung hierbei nützlich überwacht werden, weil diese direkt mit dem Sauerstoffverbrauch zusammenhängt. Bisher ist die Bildungsgeschwindigkeit der Metaboliten durch die Messung von Hauttemperaturproben bestimmt worden, welche die Umgebungstemperatur innerhalb des Inkubators feststellen. Das offensichtliche zeitliche Nachhinken'und die potentielle Ungenauigkeit der Methode lassen erkennen, daß ein wesentlicher Vorteil bei einer Technik der direkten Messung des Sauerstoffverbrauchs erlangt werden könnte. Eine weitere Notwendigkeit zur Messung des Sauerstoffverbrauchs ergibt sich bei Kindern, welche ein Lungenleiden haben und daher mit einer gesteigerten eingeatmeten Sauerstoff fraktion F™ (entsprechend der inspiratorischen Op-Konzentration) beatmet werden müssen. Eine zu hohe Sauerstoff fraktion F™ kann jedoch

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äußerst toxisch wirken und die Lungen zerstören. Durch die Überwachung des Ausmaßes der Säuerstoffaufnähme kann der Wert von F™ auf ein optimales Niveau abgesenkt werden, ohne daß eine Gefährdung des Kindes eintritt.

Kinder mit RDS, die unter CPAP beatmet werden, können sowohl in einen Zustand geraten, der als aleoläres Recruitment bezeichnet wird, als auch in den oben genannten Anstieg der Lungen-Compliance und der funktioneilen Residualkapazität. Gegenwärtig sind die CPAP-Einstellungen eines Beatmungssystems für Neugeborene willkürlich und müssen erst durch Herumprobieren festgelegt werden. Wenn die CPAP bei hohen Einstellwerten festgelegt wird, kann sie alveoläre Überdehnungen oder sogar einen Abfall der Lungen-Compliance mit einem entsprechenden Abfall der alveolären Ventilation herbeiführen, so daß das Kind angestrengter atmet, um die alveoläre Ventilation aufrechtzuerhalten. Durch eine Überwachung des Sauerstoffverbrauchs bei verschiedenen CPAP-Einstellwerten kann der optimale Druck im Luftweg bestimmt werden, wodurch sich die oben genannten unerwünschten Nebeneffekte vermeiden lassen.

Schließlich müssen Kinder mit schwerer RDS, RDS mit Pneumonie, bronchopulmaler Dysplasie etc. mit CPAP

on

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und intermittierender, vorgeschriebener Beatmung (IMV) behandelt werden. Die Auswahl der optimalen IMV-Einstellungen am Beatmungsgerät ist sehr schwierig, weil hierbei viele Parameter in Rechnung gestellt werden müssen, z.B. der Druck in den Luftwegen, das Ein- bzw. Ausatemverhältnis, IMV und CPAP. Gegenwärtig werden die CPAP-IMV-Einstellungen durch Probieren nach Blutgasanalysen des Kindes festgelegt. Die Überwachung des Sauerstoffverbrauchs würde jedoch eine direktere Analyse zur Ermittlung der optimalen Bedingungen und Einstellungen ergeben.

Ein Gegenstand bzw. eine Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist somit der Aufbau eines Beatmungssystems für Neugeborene, mit dem die Sauerstoffaufnahme gemessen und zur Steuerung des Systems verwendet werden kann.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung liegt in der Schaffung einer apparativen Einrichtung für ein Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystem, welches zur gesteuerten Zufuhr eines großen Volumens von Sauerstoff in einer Beatmungsvorrichtung mit leichtem Überdruck bei hohem Durchsatz verwendet werden kann.

Ein zusätzlicher Gegenstand der Erfindung liegt in der Angabe eines Ventilsystems für die unterstützende Beatmung von Neugeborenen.

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Zusätzlich ist es Gegenstand der Erfindung, eine solche Ventilanordnung anzugeben, bei der die ausgeatmete Luft zur Messung der Sauerstoffaufnahme abgetrennt werden kann.

Schließlich ist es Gegenstand der Erfindung, eine Ventilanordnung zu schaffen, welche vorteilhaft in Ver·* bindung mit dem Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystem für Neugeborene verwendet werden kann, und bei der der Betrag des Totraumes innerhalb des Ventilsystems möglichst gering gehalten wird.

Zur lösung der gestellten Aufgaben dienen die Merkmale der Patentansprüche.

Die Gegenstände der vorliegenden Erfindung werden in einem Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystem zur Messung der Sauerstoffaufnähme von. Neugeborenen realisiert, bei dem eine Überdruckbeatmungsvorrichtung (positiver endexpiratorischer Druckwert) zur Zufuhr einer gesteuerten Sauerstoffmenge verwendet wird. Das System enthält einen Strömungskanal zur Weiterleitung des Sauerstoffs aus der Beatmungsvorrichtung durch eine primäre Strömungsleitung. Dieser Strömungskanal schließt einen sekundären Auslaß ein, welcher mit der primären Strömungs-

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leitung durch ein Einweg-Einlaßventil kommuniziert, welches einen Teil einer Einlaß und Auslaß überwachenden Ventilkombination bildet. Bei der Einatmung des Neugeborenen wird Sauerstoff aus der Hauptströmungsleitung durch das Einlaßventil in einen Beatmuncrskanal gebracht, welcher zu den Lungen des Neugeborenen führt. Bei der Ausatmung blockieren die Ventilsitze des Einlaßventils einen Luftdurchtritt zurück in die primäre Strömungsleitung. Die ausgeatmete Luft strömt daher durch ein Auslaßüberwachungsventil zu einem Auslaßkanal, welcher die ausgeatmete Luft zu einem Sauerstoffsensor führt, der bei der Messung des Grades der Sauerstoffaufnahme benutzt wird. Durch Kopplung der Einlaß- und Auslaß-Überwachungsventilkombination einmal zwischen den Beatmungskanal und das andere Mal mit entsprechenden Öffnungen des sekundären Auslasses und des Atmungskanals, wird der Totraum verringert und die Genauigkeit des Systems verbessert.

Weitere Gegenstände und Einzelheiten ergeben sich für einen Leser mit entsprechender Vorbildung aus der detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den angeschlossenen Zeichnungen; es zeigen:

Fig.1 ein Flußdiagramm einer Beatmungsvorrichtung, wie sie gegenwärtig nach dem Stande

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der Technik zur Beatmung von Neugeborenen benutzt wird,

Fig.2 ein Blockdiagramm des Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystems gemäß der Erfindung,

Fig.3 eine Ausführungsform einer Mischkammer, wie sie in Verbindung mit dem Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystem nach Fig.2 benutzt werden kann,

Fig.4 ein in Verbindung mit der Erfindung benutzbares Überwachungsventilsystem mit in Gegenrichtung wirksamer Ventilwirkung in perspektivischer Darstellung,

Fig.5 eine explodierte Ansicht des Überwachungsventilsystems nach Fig.4,

Fig.6 einen Querschnitt längs der Linie 6-6 in Fig.4 mit abgenommenen, flexiblen Klappen sowie mit eingefügten Dimensionierungsvorschriften,

Fig.7 eine Draufsicht auf das Überwachungsventilsystem nach Fig.4, ebenfalls unter Einschluß von Dimensionierungsangaben.

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Unter Bezug auf die Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend ausführlicher beschrieben werden.

Die grundsätzliche Wirkungsweise eines Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystems zur Messung der Sauerstoffaufnahme von Neugeborenen ist in Fig.2 dargestellt. Eine Beatmungsvorrichtung 10, welche Möglichkeiten für CPAP und CPAP-IMV besitzt, wird dabei zur Herstellung einer primären Strömungsleitung benutzt, welche durch eine gestrichelte Flußlinie 11 dargestellt ist. Das Überwachungssystem kann an sich zur Verwendung mit verschiedenen Überdruckbeatmungsvorrichtungen unter hohem Durchsatz angepaßt werden, jedoch hat sich die in Fig.1 gezeigte Beatmungsvorrichtung, welche unter dem Namen BABY BIRD-Beatmungsvorrichtung bekannt ist, als sehr wirkungsvoll erwiesen.

Die primäre Strömungsleitung in der Flußlinie 11 enthält einen Durchflußkanal 12, welcher einen ersten Zweig der Flußlinie bildet. Dieser Durchflußkanal 12 steht mit einem sekundären Auslaß 13 in Verbindung, welcher bei der Einatmung einen Sauerstofffluß zu einem Neugeborenen 14 ermöglicht. Dieser sekundäre Auslaß 13 wird wegen seiner unterbrechungsfreien Wirkung in Bezug auf die primäre Strömungsleitung 11 als "sekundärer Aus-

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laß" bezeichnet. Die Funktion der primären Strömungsleitung besteht darin, einen Vorrat von frischem Sauerstoff zu bilden, welcher unter im wesentlichen konstantem Druck, etwas oberhalb Atmosphärendruck, gehalten werden kann.

Die Strömung durch den sekundären Auslaß 13 wird über ein Einweg-Einlaßventil 15 gesteuert, welches den Durchfluß bei der Einatmung des Neugeborenen 14 erlaubt. Diese Einatmung bewirkt den Fluß von frischem Sauerstoff aus der primären Strömungsleitung 11 durch das Einlaßventil 15 nach einer Ventilöffnung 16, welche mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Beatmungskanal in Verbindung steht. Dieser Beatmungskanal kann ein endotrachealer Tubus mit angeschlossener Manschette oder ein anderes geeignetes Führungselement sein, welches den Lungen des Neugeborenen Sauerstoff zuführt.

Bei der Ausatmung des Neugeborenen fließt die Luftströmung aus dem Beatmungskanal durch die Ventilöffnung 16 und durch einen Auslaß 17. Die Strömung durch den in Frage kommenden Auslaß 17 wird durch ein Einweg-Auslaßventil 18 gesteuert. Dabei ist es notwendig, daß jedes der entsprechenden Einweg-Einlaß- und Auslaßventile 15,18 in seiner Schließposition gegenüber den entsprechenden Einlaß- und Auslaßöffnungen 13,16 vor-

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gespannt ist. Eine solche Gestaltung erzeugt einen Strömungsfluß bei der Einatmung in der einen Richtung durch das Einlaßventil 15 und in entgegengesetzter Einwegrichtung durch das Auslaßventil 18.

Eine Kammer 19, die sich zwischen den entsprechenden Ein- und Auslaßventilen 15 und 18 und der Ventilöffnung 16 befindet, soll so klein wie möglich gemacht werden, damit ein unerwüscht großer Totraum vermieden wird. Ein solcher Totraum führt dazu, daß das Kind bereits ausgeatmete Luft wieder einatmet, wobei die Sauerstoffzufuhr zu dem Kind vermindert wird. Außerdem entstehen durch einen solchen Totraum Fehler in der Messung der Sauerstoffaufnähme, und es läßt sich sagen, daß der Totraum allgemein die Wirksamkeit des Belüftungssystems herabsetzt. Das soeben erläuterte Problem des Totraums tritt bei der Ausführung nach Fig.1 weniger schwerwiegend in Erscheinung, weil an der Abgabeöffnung 20 der Beatmungsvorrichtung keine die Strömung steuernden Ventile vorhanden sind.

Während der Ausatmung des Neugeborenen setzt sich die Strömung durch den Auslaß 17 nach einem Auslaßkanal fort, welcher die ausgeatmete Luft in eine Mischkammer 22 leitet, in der die Analyse des Betrags an verbrauchtem Sauerstoff vorbereitet wird. Diese Mischkammer 22

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und damit verbundene, den Sauerstoffverbrauch überwachende Elemente sind in Fig.2 als Blockschema dargestellt, während Fig.3 eine tatsächliche, strukturelle Ausführungsform erkennen läßt. Unter Bezug auf die entsprechenden Abbildungen soll angegeben werden, daß die ausgeatmete Luft in einen Einlaß 23 der Mischkammer 22 abgegeben wird, welcher in einen ersten Behälter 24 öffnet, der einen COp-Abscheider zur Entfernung des ausgeatmeten CO- enthält. In den ersten Behälter 24 wird über einen Einlaß 25 eine der Auffrischung des Gasgemisches dienende Sauerstoffkomponente zugeführt, welches nach der Durchmischung zur Trocknung in einen zweiten Behälter 26 weitergeleitet wird. Der überwiegende Anteil der getrockneten Luftmischung wird über einen Auslaß 27 zur primären Strömungsleitung 11 und zur Beatmungsvorrichtung 10 zurückgeführt. Der Betrag an Sauerstoff, welcher durch den Einlaß 25 in den ersten Behälter eingebracht wird, wird bestimmt durch die Ausgabewerte eines Paares von Sauerstoffsensoren 28,29, welche Proben aus der primären Strömungsleitung 11 und aus dem Trocknungsbehälter 26 vergleichend analysieren.

Um den Vergleich des Sauerstoffgehaltes der eingeatmeten Luft gegenüber der ausgeatmeten Luft durchführen zu können, werden aus jeder Fraktion Proben gezogen, und dem entsprechenden polarographischen Sauerstoff-

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sensor 28 oder 29 zugeführt. Die Sensorräume werden von außerhalb über relativ große Durchlässe 30 und 31 belüftet, so daß ein vernachlässigbarer Druckabfall im Sensor erzielt wird. Dieses Paar von gesteuerten Leckwegen unterbricht wegen der relativ geringen Leckgröße den'im System entwickelten konstanten, positiven Druck nicht.

Wie in Fig.1 in den Einzelheiten gezeigt, enthält die Mischkammereinheit ein Bauelement, welches dem getrockneten, eingeatmeten Gas den Austritt hinter den beiden Sauerstoffsensoren 28,29 in Leckstellen ermöglicht (gezeigt als gestrichelte Linien durch das Magnetventil 33), während das ausgeatmete Gas über ein Dreiweg-Steuerventil ausgeschlossen wird. Diese Anordnung wird dazu benutzt, um die Sensoren zu kalibrieren und zwar dadurch, daß man sie gleichzeitig derselben Fraktion von eingeatmeter Luft aussetzt, und dann elektronisch die Fehlerabweichung eines oder beider Sauerstoffsensoren speichert. Diese Fehlerabweichung wird später dazu benutzt, um den Sauerstoffersatz im Hinblick auf den exakten Wert zu korrigieren. In Fig.2 ist diese Anordnung durch einen Schaltblock dargestellt, welcher die Bezeichnung Drift-Überwachung aufweist und eine Vorrichtung zur Fehlerfeststellung und Speicherung enthält. Der Betrag an Sauerstoff,

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welcher durch den Einlaß 25 in den ersten Behälter 24 eingebracht wird, ist bestimmt durch den Betrag des Fehlersignales, welches zwischen dem Paar von Sauerstoff sensoren auftritt (vgl. Fig.2). Über eine proportionale und zusätzlich integrale Regelung fügt eine Steuervorrichtung, welche eine präzise Steuerung der Sauerstoff strömung ermöglicht (BROOK INSTRUMENTS) einen gemessenen Zustrom von Sauerstoff so lange bei, bis eine Null-Anzeigedifferenz zwischen dem Sauerstoffgehalt in der eingeatmeten und in der ausgeatmeten Fraktion festgestellt wird.

Wie im Vorangegangenen angegeben, besteht ein wesentliches Merkmal der Erfindung in der Verwendung einer Ventilanordnung, welche einerseits einen minimalen Totraum in Verbindung mit der Aufrechterhaltung eines Überdrucks im Beatmungskreis aufweist, und die andererseits jeweils in einer Richtung verlaufende, entgegengerichtete Strömungen für Einatmung und Ausatmung benutzt. Diese Eigenschaften sind in der in Fig.2 allgemein gezeigten Ventilanordnung dargestellt. Diese Ausführungsform wird gebildet von einem Dreikammergehäuse 35, bei dem eine erste Kammer 36 mit der primären Strömungsleitung 11 verbunden ist. Eine zweite Kammer 37 ist mit dem Auslaßkanal 21 verbunden, der zur Mischkammer 22 führt. Eine dritte Kammer 19 kann

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unabhängig mit der ersten und zweiten Kammer 36 und 37 verbunden werden und enthält die Ventilöffnung 16, welche zu den Lungen des Neugeborenen führt. Dabei ist es von Bedeutung, das Volumen dieser dritten Kammer möglichst gering zu halten, um den unerwünschten Totraum und die damit verbundenen Probleme zu vermeiden.

Die drei Kammern sind durch Einweg-Ventile getrennt, welche den entgegengesetzt gerichteten Einweg-Sauerstofffluß zum und vom Neugeborenen herstellen. Diese Ventile sind bereits im Vorangegangenen besprochen worden und werden als das Einlaßventil 15 und das Auslaßventil 18 bezeichnet.

Eine bevorzugte strukturelle Ausführungsform des mit drei Kammern versehenen Gehäuses ist in den Figuren 4 bis 7 beschrieben. In diesen Figuren wird eine den Einlaß und den Auslaß steuernde Ventilkombination durch ein dreiteiliges Gehäuse 39 gebildet. Unter Bezug auf Figur 5 ist erkennbar, daß ein erster Gehäuseteil 40 Ausnehmungen enthält, welche den oben erwähnten ersten und zweiten Kammern 41 und 42 entsprechen. Die erste Kammer 41 enthält einen Abschnitt der primären Strömungsleitung 11 und die oben angegebene sekundäre Öffnung 43 aus der primären Strömungsleitung. Diese sekundäre Öffnung 43 wirkt als eine zusätzliche Öffnung

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in der primären Strömungsleitung 11, um damit einen Strömungsweg für dem Neugeborenen zuzuführende Frischluft herzustellen. Zusätzlich enthält der erste Gehäuseteil eine ebene Kontaktfläche 45, welche zur Abdichtung gegenüber dem verbleibenden Gehäuseteil dient, zum teilweisen Einschluß der ersten und zweiten Kammer, welche sich in die ebene Kontaktfläche öffnen, so daß sie mit den Einlaß- und Auslaßüberwachungsventilen in Verbindung gebracht werden können.

Die oben angegebene dritte Kammer ist in einem zweiten Gehäuseteil 46 ausgeformt. Diese Kammer besteht aus einer dünnen kanalartigen Ausnehmung 47, die in einer ebenen Stirnfläche 48 des zweiten Gehäuseteils angebracht ist. Diese dünne kanalartige Ausnehmung 47 ist zur Vermeidung des unerwünschten Totraumes mit einem geringen Volumen hergestellt. Die Ausnehmung 47 erstreckt sich über eine bestimmte Länge auf der ebenen Stirnfläche 48, so daß sie über einen Teil von jeder der Öffnungen 41 und 42 der ebenen Kontaktfläche des ersten Gehäuseteils 40 angeordnet werden kann. Diese Ausbildung ermöglicht die gemeinsame Kopplung der ersten und zweiten Kammer mit der dritten Kammer.

Ein dritter Gehäuseteil 49 liegt sandwichartig zwischen dem ersten und zweiten Gehäuseteil. Er besteht aus ei-

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nem plattenartigen Element mit gegenüberliegenden Flächen 50 und 51. Dieser dritte Gehäuseteil enthält ein Einlaßventil 52, welches in einer Sitzposition gegenüber einer Aussparung 53 in dem plattenartigen Element 49 vorgespannt ist. Das Einlaßventil 52 sitzt auf einem Wulstteil 54, welcher die Aussparung 53 umschließt und zwar derart, daß nur eine in einer Richtung verlaufende Strömung von der primären Strömungsleitung 11 möglich ist. Diese Einlaßströmung wird durch die Einatmung des Neugeborenen hervorgerufen.

Ein Auslaßüberwachungsventil 55 ist ebenfalls an dem dritten Gehäuseteil 49 vorgesehen und in seiner Schließlage gegen einen anderen Wulstteil % auf der gegenüberliegenden Seite des dritten Gehäuseteils 49 vorgespannt. Das Ventil 55 ist an der gegenüberliegenden Seite des dritten Gehäuseteils 49 angebracht, um eine umgekehrte, ebenfalls nur in einer Riehting verlaufende Strömung während des Ausatmungsvorgangs des Neugeborenen hervorzurufen und liegt in Reihe mit der Öffnung 42 des Ausatmungskanals, wodurch die Ausatmung des Kindes in die Mischkammer zur Analyse des SauerstoffVerbrauchs möglich wird.

Mit den drei Teilen des Ventilgehäuses, welche an den gegenüberliegenden ebenen Stirnflächen des ersten und

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zweiten Gehäuseteils angeschlossen sind, wird die gesamte Luftströmung zum und vom Neugeborenen in der oben angegebenen Weise auf die entsprechenden drei Kammern beschränkt. Die Kammergrößen können unterschiedliche Formgestaltungen und Volumina aufweisen. Eine bevorzugte strukturelle Zusammenfassung ist jedoch in den Figuren 6 und 7 als Darstellung der bevorzugten Ausführungsform angegeben. Die Volumina der ersten und zweiten Kammer sind nicht kritisch, dagegen ist das Volumen der dritten Kammer signifikant, weil es einen innerhalb der Ventilkombination entwickelten Totraum darstellt. Ihr Volumen soll deshalb auf ein Minimum reduziert werden, damit die oben angegebenen nachteiligen Wirkungen vermieden werden. Ein maximales Volumen von 2 cm kann betrieblich zulässig sein. Das bevorzugte Volumen dieser dritten Kammer liegt jedoch bei annähernd

3
1 cm .

Zur konstruktiven Ausbildung können verschiedene Werkstoffe einschließlich Kunststoffe verwendet werden, welche durch einen Injektionsspritzvorgang in die entsprechende Raumform gebracht werden können. Die Auswahl des Ventilmaterials sollte auf hoch biegsame Materialien beschränkt werden, wie sie als Standard für Ventilklappen in Beatmungsgeräten verwendet werden. Es ist von wesentlicher Bedeutung, den niedrigst möglichen

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Strömungswiderstand für die Luftströmung zu erreichen, um dadurch zusätzliche Kraftanstrengungen während des Atmungsvorganges bei dem Neugeborenen zu vermeiden. Die in Verbindung mit der angegebenen Ausführungsform verwendeten Ventile waren Standardausführungen von 5/8 inch Atemventilen, welche während der Beatmungsunterstützung einen sehr geringen Strömungswiderstand boten.

Mit der bevorzugten Ausführungsform, wie sie hier angegeben worden ist, sind Testuntersuchungen durchgeführt worden, und diese haben beim Anschluß an Beatmungssysteme für Neugeborene außergewöhnlich günstige Ergebnisse gezeigt. So wurde beispielsweise in einer Reihe von % Experimenten ein geringer Meßfehler bei V(^ (Minutenvolumen der Sauerstoffaufnähme des Patienten) von nur 3$ festgestellt gegenüber dem Standardvergleich des gemessenen VOp gegenüber dem idealen VCL. Dies entspricht einem Korrelationskoeffizienten zwischen den berechneten und den beobachteten V0₉-Werten von 0,995

C.

und einer geringen quadratischen Abweichung von der Re-

gression von nur 8,56 cm. Die Ansprechgeschwindigkeit des untersuchten Systems lag in der Größenordnung von 20 Sekunden.

Die hauptsächlichen Gebrauchsmöglichkeiten und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung schließen folgende Punkte ein:

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1. Das Sauerstoffüberwachungsgerät für Neugeborene erlaubt eine dynamische Bestimmung der Sauerstoffaufnahme in einen offenen oder geschlossenen Druckatemkreis.

2. Die Sauerstoffaufnähme wird durch eine Auffülltechnik bestimmt, welche den Gebrauch von Spirometern, Strömungsmessern oder anderen das Volumen, die Strömung oder den den Druck messenden Vorrichtungen im Patienten-Gasstrom vermeidet.

3. Nachdem ein stabiler Zustand erreicht ist, kann die Sauerstoffaufnähme kontinuierlich und beliebig lang gemessen werden.

4. Die verwendete Rückkopplungstechnik macht die Bestimmung von Gaskonzentrationen mit irgendwelcher absoluter Genauigkeit überflüssig, weil die der Sauerstoffkonzentration entsprechenden Signale in einem Nullvergleich zur Erlangung der Sauerstoffverbrauchsgröße verwendet werden.

5. Das System verfügt über Mittel, um das ausgeatmete Gas mit Sauerstoff zu mischen, COp und Wasserdampf zu entfernen und bildet ein geringes Prüfleck an den Sauerstoffsensoren. Dieses System ermöglicht genaue Messungen unter einer

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großen Anzahl von Möglichkeiten der Strömung, der Drücke, des Atemtypus und der therapeutischen Maßnahmen ohne unerwünschte Beeinträchtigung.

6. Die Ventilanordnung mit geringem Totraum bildet ein einmaliges Mittel, um das gesarate ausgeatmete Gas in das Meßsystem zu leiten, ohne daß dadurch ein exzesiver Ausatraungs- oder Einatmungswiderstand oder Totraum gegenüber dem Kind auftritt.

Wie im Vorangegangenen erläutert, soll darauf hingewiesen werden, daß die vorliegende Beschreibung trotz der dargestellten Ausführungsform lediglich ein Ausfübrun^sbeispiel darstellt, und daß verschiedene Änderungen möglich erscheinen, ohne daß von den erläuterten grundsätzlichen Erfindungsmerkmalen abgewichen wird.

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Claims

Dr.-Ing. Herbert Moädt

Patentanwalt KarlsruhB,NowaokanIege ίδ

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Ansprüche

1. Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystem, insbesondere zur Messung der Sauerstoffaufnähme bei Neugeborenen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) eine Beatmungsvorrichtung mit positivem endexpiratorischem Druck und hohem Durchsatz zur Gasversorgung;

b) einen Durchflußkanal zur Weiterleitung des Gases aus der Beatmungsvorrichtung, wobei dieser Durchflußkanal eine primäre Strömungsleitung und einen sekundären Auslaß in Verbindung mit der primären Strömungsleitung aufweist;

c) einen Beatmungskanal, dessen eines Ende zur Verbindung mit den Lungen ausgebildet ist;

d) einen Ausatmungskanal, welcher das von den Lungen ausgeatmete Gas aufnimmt;

e) eine Einlaß- und Auslaßventilanordnung, bei der

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die Ventile einseitig mit dem Beatmungskanal und auf ihrer anderen Seite mit dem sekundären Auslaß und dem Ausatmungskanal in Verbindung stehen, wobei durch Kopplung der kombinierten Ventilanordnung ein intermittierender Einatmungsdurchgangsweg von der primären Strömungsleitung durch ein Einlaßventil in den Beatmungskanal und damit in den Lungenbereich und ein Ausatmungsdurchgangsweg durch den Beatmungskanal über das Auslaßventil in den Ausatmungskanal gebildet ist, und bei der sowohl das Einlaß- als auch das Auslaßventil unter Vorspannung nach der Schließendlage stehen und die koppelnde Ventilanordnung einen minimalen Totraum aufweist;

f) in Verbindung mit der primären Strömungsleitung und dem Ausatmungskanal gekoppelte Meßelemente zum Vergleich der Sauerstoffkonzentration des eingeatmeten Gases gegenüber derjenigen des entsprechenden ausgeatmeten Gases, und daß aus der Differenz beider Meßwerte der Verbrauch an Sauerstoff bestimmt wird.

2. Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilanordnung ein dreiteiliges Gehäuse aufweist,

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wobei eine erste Kammer zur Verbindung mit der primären Strömungsleitung des innerhalb des Beatmungssystems zugeführten Gases verbunden ist und bei der eine zweite Kammer zur Kopplung an den Ausatmungskanal des Sauerstoff Verbrauchsüberwachungssystems vorhanden ist, und ferner mit einer dritten Kammer, welche unabhängig mit der ersten und zweiten Kammer durch Einwegventile entgegengesetzter Strömungsrichtung koppelbar ist und eine Ausformung zur Verbindung mit dem zu den Lungen führenden Beatmungskanal aufweist, und daß die erste und dritte Kammer durch das Einlaßventil koppelbar sind, welches eine Strömung zur dritten Kammer ermöglicht, jedoch eine Strömung in Gegenrichtung zwischen diesen verhindert und daß die zweite und die dritte Kammer durch das Auslaßventil koppelbar sind, welches eine Strömung aus der dritten Kammer nach der zweiten Kammer ermöglicht aber eine Gegenströmung zwischen diesen Kammern unterdrückt, und daß beide Ventile in der Schließendlage unter Vorspannung stehen, wobei das Kammervolumen der dritten Kammer zur Verminderung des Totraumes wesentlich geringer ist, als die Volumina der ersten oder zweiten Kammer.

3. SauerstoffVerbrauchsüberwachungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

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die erste Kammer Öffnungen zur Zwischenschaltung der primären Strömungsleitung aufweist, wodurch eine direkte Verbindung zwischen dem Einlaßventil und der primären Strömungsleitung hergestellt wird.

SauerstoffVerbrauchsüberwachungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Kammer als Hohlräume in einem ersten Gehäuseteil gebildet sind, welcher eine Kontaktfläche aufweist, und daß die erste Kammer zur Einschaltung in die primäre Strömungsleitung ausgebildet ist und eine zusätzliche Öffnung an der Kontaktfläche dieses Gehäuseteils bildet, daß die zweite Kammer ebenfalls nach der Kontaktfläche öffnet und Anschlüsse zur Verbindung mit dem Ausatmungskanal aufweist, daß die dritte Kammer als dünne kanalartige Ausformung in der Kontaktfläche des zweiten Gehäuseteils gebildet ist, wobei sich die Ausformung über eine hinreichende länge der Kontaktfläche soweit erstreckt, daß sie die Öffnungen der ersten und zweiten Kammer im ersten Gehäuseteil wenigstens teilweise übergreift, so daß eine gemeinsame Kopplung der ersten und zweiten Kammer mit der dritten Kammer möglich ist, und daß die dritte Kammer eine in die Ausformung mündende Öffnung zum Anschluß an den Beatmungskanal aufweist, und daß schließlich die Kontaktfläche des ersten und zweiten Gehäuseteils so ausgebildet sind, daß sie zwischen sich sandwichartig gegenüberliegende Stirn-

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flächen eines dritten Gehäuseteils einschließen, welcher plattenartig gestaltet ist und ein Einlaß- und ein Auslaßventil an solchen Stellen aufweist, welche den Kopplungssteilen der entsprechenden Öffnungen der ersten und zweiten Kammer mit der dritten Kammer entsprechen.

5. Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der dritten Kammer unterhalb von 2 cm liegt.

6. Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der dritten Kammer annähernd 1 cm beträgt.

7. SauerstoffVerbrauchsüberwachungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- und Auslaßventile als Gummiklappenventile ausgebildet sind, welche in einer Sitzposition auf dem plattenartigen Gehäuseteil während der'Ausatmung bzw. Einatmung ruhen.

8. SauerstoffVerbrauchsüberwachungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zum Vergleich der Sauerstoffkonzentration

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als ein Paar von Sauerstoffsensoren ausgebildet sind, welche die Sauerstoffkonzentration in der primären Strömungsleitung sowie in einer Mischkammer in Verbindung mit dem Ausatmungskanal messen, und daß die Mischkammer außerdem Förderelemente zur Einleitung von Sauerstoff in gesteuertem Anteil aufweist, welcher von dem gemessenen Mangel an Sauerstoff in der Mischkammer im Vergleich zur Sauerstoffkonzentration in der primären Strömungsleitung abhängt.

9. SauerstoffVerbrauchsüberwachungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine COp Abscheidevorrichtung und ein Trockner in Verbindung mit der Mischkammer vorgesehen sind, welche CO und Wasser von dem ausgeatmeten Gas abscheiden, bevor dieses den Sauerstoffsensoren zugeleitet wird.

10. Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückflußkanal zwischen der Mischkammer und der Beatmungsvorrichtung vorgesehen ist, durch den eine Rückführung des ausgeatmeten Gases zur Beatmungsvorrichtung erfolgt, um einen konstanten Druck innerhalb des Systems aufrechtzuerhalten.

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11. Verfahren zur Messung der Sauerstoffaufnähme der Lungen, welche durch ein Beatmungssystem mit endexpiratorischem Überdruck beatmet werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Einschaltung eines Einwegeinlaßventils an einer sekundären Öffnung der primären Strömungsleitung für Sauerstoff, wodurch eine Strömung durch dieses Ventil aus der primären Strömungsleitung ermöglicht wird;

b) Kopplung des Einlaßventils an eine Kammer von geringem Volumen, welche einen ersten Auslaß nach einem Beatmungskanal in Verbindung mit den Lungen und einen zweiten Auslaß in Verbindung mit einem Ausatmungskanal zur Einleitung des ausgeatmeten Gases in ein die Sauerstoffkonzentrationen vergleichendes Fühlersystem zur entsprechenden Wiederaufbereitung des ausgeatmeten Gases aufweist, wobei der zweite Auslaß ein Einwegventil zum Ausschluß eines Strömungsdurchgangs außerhalb des Ausatmungsvorganges aufweist und das Einlaßventil während dieses Ausatmungsvorganges unter Vorspannung in der Schließendlage liegt;

c) analysieren entsprechender Proben des eingeatme-

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ten und ausgeatmeten Gases innerhalb des vergleichenden Fühlersystems hinsichtlich der Sauerstoffkonzentration;

d) Ersatz des verbrauchten Sauerstoffs bei dem ausgeatmeten Gas auf der Grundlage der festgestellten Differenz der Sauerstoffkonzentration gegenüber der Einatmungsprobe und Rückführung des wiederaufbereiteten Gases zur ßeatmungsvorrichtung, um einen konstanten positiven Druck im System aufrechtzuerhalten.

12. Ventilanordnung mit geringem Totraum zur Verwendung in einem Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystem in Verbindung mit einem Beatmungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilanordnung ein Gehäuse mit drei Kammern aufweist, in dem eine erste Kammer zur Verbindung mit einer primären Strömungsleitung der Sauerstoffzufuhr innerhalb der Beatmungsvorrichtung vorgesehen ist, mit einer zweiten Kammer zur Kopplung an den Beatmungskanal innerhalb des Sauerstoffverbrauchsüberwachungssystems und mit einer dritten Kammer, welche unabhängig mit der ersten und der zweiten Kammer über in Gegenrichtung öff¹-nende Einwegventile koppelbar ist und eine Öffnung aufweist, über die eine Verbindung zum Beatmungskanal und

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zu den Lungen hergestellt wird, wobei die erste und dritte Kammer über ein Einlaßventil koppelbar sind, welches die Strömung nach der dritten Kammer ermöglicht, jedoch die entgegengerichtete Strömung zwischen diesen unterdrückt und wobei die zweite und die dritte Kammer durch ein Auslaßventil koppelbar sind, welches die Strömung von der dritten Kammer in die zweite Kammer erlaubt jedoch die Gegenströmung zwischen diesen unterdrückt, daß beide Ventile in der Schließendlage unter Vorspannung stehen, und daß ferner das Kammervolumen der dritten Kammer wesentlich geringer ist, als die Volumina der ersten oder zweiten Kammer, so daß der Totraum reduziert wird.

13. Ventilanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer Öffnungen zur Durchströmung von der primären Strömungsleitung aufweist, welche eine direkte Verbindung zwischen dem Einlaßventil und dieser primären Strömungsleitung herstellen.

14. Ventilanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Kammer als Hohlräume in einem ersten Gehäuseteil mit einer angeformten Kontaktfläche ausgebildet sind, daß dieser erste

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Gehäuseteil in die primäre Strömungsleitung zwischenschaltbar ist und eine zusätzliche Öffnung an der Kontaktfläche des ersten Gehäuseteils aufweist, das die zweite Kammer ebenfalls in die Kontaktfläche des ersten Gehäuseteils öffnet und Anschlußelemente zur Verbindung mit dem Ausatmungskanal aufweist, daß die dritte Kammer durch eine dünne kanalartige Ausformung in der Kontaktfläche eines zweiten Gehäuseteils gebildet wird, wobei sich diese Ausformung über eine hinreichende Länge der Kontaktfläche erstreckt, so daß sie wenigstens über einen Teil von jeder der in die Kontaktfläche offenen Öffnungen des ersten Gehäuseteils anbringbar ist, so daß eine gemeinsame Kopplung der ersten und zweiten Kammer mit der dritten Kammer möglich ist, und daß die dritte Kammer außerdem eine in die Ausformung mündende Öffnung aufweist, welche mit dem Beatmungskanal verbindbar ist, daß die Kontaktfläche des ersten und zweiten Gehäuseteils so ausgebildet sind, daß sie zwischen sich gegenüberliegende Stirnflächen eines dritten Gehäuseteils sandwichartig einschließen, welcher aus einem plattenartigen Stück besteht, welches Einlaß- und Auslaßventile in solcher Anordnung enthält, daß diese den Kopplungsbereichen der Ausnehmungen in den ersten und zweiten Kammern mit der dritten Kammer entsprechen.

15. Ventilanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der dritten

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Kammer unterhalb von 2 cm liegt.

16. Ventilanordnung nach Anspruch 15, dadurch ge kennzeichnet , daß das Volumen der dritten Kammer annähernd 1 cnr beträgt.

17. Ventilanordnung nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einlaß- und Auslaßventile Gummiventilklappen aufweisen, welche in Sitzposition auf dem sandwichartig zwischengeschalteten Plattenstück wechselweise während Ausatmung und Einatmung ruhen.

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18. Beatmungssystem insbesondere für Neugeborene, mit einer Beatmungsvorrichtung mit positivem endexpiratorischem Druck, welche eine primäre Strömungsleitung aufweist, an die ein im Einatraungs- und Ausatmungsvorgang wirksamer Beatmungakanal angeschlossen ist und bei der die ausgeatmete Luft in den primären Strömungskanal zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einwegeinlaß- und Auslaßventile (15,18) aufweisende Ventilanordnung vorgesehen ist, wobei die jeweils einen entgegengesetzten Strömungsweg freigebenden Ventile (15,18) einseitig mit dem Beatmungskanal (16) und auf ihrer anderen Seite mit einem sekundären Auslaß (13) der primären Strömungsleitung (11) bzw. einem Ausatmungskanal (21) in Verbindung stehen, daß der Beatmungskanal (16) und damit der Lungenbereich in einem Einatmungsdurchgangsweg mit der primären Strömungsleitung (11) durch das Einlaßventil (15) und in einem Ausatmungsdurchgangsweg über das Auslaßventil (18) mit dem Ausatmungskanal (21) verbindbar ist, und daß in Verbindung mit der primären Strömungsleitung (11) und mit dem Ausatmungskanal (21) Meßelemente (28,29) zum Vergleich der Sauerstoffkonzentration des eingeatmeten Gases gegenüber derjenigen des entsprechenden ausgeatmeten Gases vorgesehen sind, und daß aus der Differenz beider Meßwerte der Verbrauch an Sauerstoff bestimmt wird, und daß Steuer-

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elemente vorgesehen sind, welche die verbrauchte Sauerstoffmenge in einer mit dem Ausatmungskanal (21) und mit der primären Strömungsleitung (11) einseitig verbundenen Mischkammer ersetzen, und daß schließlich das regenerierte Gasgemisch über einen.Rückführungskänal in die primäre Strömungsleitung (11) zurückgeführt wird.

19. Beatmungssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilanordnung ein dreiteiliges Gehäuse (40,49,46) aufweist, mit einer ersten Kammer (41), welche in die primäre Strömungsleitung (11) zwischenschaltbar ist, sowie mit einer zweiten Kammer (42) in Verbindung mit dem Ausatmungskanal (21) und mit einer dritten Kammer, welche mit dem Beatmungskanal (16) in Verbindung steht, und daß Ventile (15,18) von entgegengesetzter Strömungsrichtung derart angeordnet sind, daß beim Einatmungsvorgang die erste Kammer (41) mit der dritten Kammer (47) und beim AusatmungsVorgang die dritte Kammer (47) mit der zweiten Kammer (42) verbindbar sind, daß beide Ventile (15,18) in der Schließendlage unter Vorspannung stehen, und daß das Kammervolumen der dritten Kammer (47) wesentlich geringer ist als die Volumina der ersten und zweiten Kammer (41,42).

20. Beatmungssystem nach Anspruch 19 ,dadurch ge-

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kennzeichnet, daß die erste und zweite Kammer (41,42) in einem ersten Gehäuseteil mit einseitigen Öffnungen in einer Kontaktfläche vorgesehen sind, daß die dritte Kammer (47) als Ausformung in der Kontaktfläche des zweiten Gehäuseteils (46) ausgeformt ist, und daß zwischen beiden Kontaktflächen ein plattenartiges Zwischenstück (49) angeordnet ist, in dem die einen entgegengesetzten Strömungsweg freigebenden Ventile angeordnet sind.

21. Beatmungssystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zum Vergleich der Sauerstoffkonzentrationen polarografische Sauerstoffsensoren (28,29) sind.

22. Beatmungssystem nach Anspruch 21,dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit den Sauerstoffsensoren (28,29) leckstellen von geringem Durchlaß vorgesehen sind.

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